Jeśli od dłuższego już czasu zastanawiacie się nad dobrą nazwą dla tworzonej przez was firmy, nie zapomnijcie o wstawieniu do niej członu “nano”, nawet jeśli będzie to zupełnie nieadekwatne do tego, czym przedsiębiorstwo miało by się zajmować. Podobnie jak miało to miejsce w przypadku tak do niedawna modnego pojęcia “Web 2.0″ w Internecie, nanotechnologia to pojęcie, które w inwestorach przy kasie wywołuje podwyższone ciśnienie i – wszystko jedno czy istnieją jakiekolwiek szanse na sukces przedsięwzięcia – zmusza ich do pakowania ogromnych funduszy w każdy interes, który nanotechnologią się ma parać.

Czym w ogóle jest nanotechnologia? Jak podpowiada sam przedrostek, jest to dziedzina techniki, która zajmuje się strukturami o mikroskopijnych rozmiarach, mierzonych w nanometrach (przy czym 1 nanometr to 10^-9 metra, inaczej mówiąc jedna miliardowa metra). Sprowadza się to właściwie do manipulowania pojedynczymi atomami i cząsteczkami w celu wykorzystania ich do ściśle określonych zastosowań. Pomijając już istniejące i praktycznie stosowane rozwiązania w tej dziedzinie (jak choćby nanorurki i tym podobne świństwa), naukowcom jak i biznesmenom marzy się coś, co jak dotąd wydaje się jeszcze odległą pieśnią przyszłości – tworzenie maleńkich mechanizmów i maszyn, które w tej niewyobrażalnie małej skali mogłyby wykonywać najróżniejsze zadania (chociażby jako “roboty naprawcze” czy “posłańcy” dostarczające leki do ściśle określonych miejsc organizmu). Jednym z powodów, dla których rozwój nanotechnologii w tym kierunku napotyka wielkie problemy, jest tzw. efekt Casimira.

W  1946 roku niejaki Hendrik Casimir, holenderski fizyk teoretyk, analizując konsekwencje słabo wówczas jeszcze poznanej mechaniki kwantowej przewidział, że pomiędzy dwiema płytkami wykonanymi z przewodnika, które nie są naładowane elektrycznie, powinno pojawić się tajemnicze przyciąganie, zbliżające je do siebie, co ważne, nie mające nic wspólnego z przyciąganiem grawitacyjnym. Przyciąganie to ma bardzo egzotyczne pochodzenie, którego wolałbym tutaj zbytnio nie zgłębiać, bo mógłbym brzydko ugrząznąć – wystarczy powiedzieć, że tzw. cząstki wirtualne, powstające pomiędzy płytkami w wyniku fluktuacji kwantowomechanicznych, powodują, iż pojawia się się różnica ciśnień pomiędzy obszarem między płytkami a obszarem na zewnątrz, i ciśnienie to powoduje wspomniane przyciąganie. Brzmi dziwnie? Z pewnością, tylko w zasadzie co w przypadku mechaniki kwantowej nie brzmi dziwnie…

Casimir przyjął w swych rozważaniach, że mamy do czynienia z idealnie gładkimi, doskonale przewodzącymi płytkami, które do tego schłodzone są do temperatury zera absolutnego. W 1956 roku fizyk z ZSRR, Eugeniusz Lifszyc, uogólnił przewidywania Casimira na rzeczywiste materiały. Przy okazji przepowiedział jednak również, że poza siłą przyciągającą, przewidzianą przez Casimira, musi również istnieć siła skierowana przeciwnie, odpychająca, ale tylko w przypadku substancji o ściśle dobranych właściwościach dielektrycznych (czyli o odpowiednim przewodnictwie). Z tego względu, mówiąc o sile przyciągającej, mówimy o efekcie Casimira, natomiast kiedy rozmawiamy o sile odpychającej, stosuje się określenie efektu Casimira-Lifszyca.

Jaki to ma związek z nanotechnologią? Zarówno efekt Casimira jak i ten przewidziany przez Lifszyca to efekty, w których siły występujące są niezmiernie małe, do tego są zauważalne w przypadku struktur o wielkości maksymalnie 1 mikrometra (jednej milionowej metra). Z tego też względu aparatura pomiarowa, dostępna swego czasu obu naukowcom, nie pozwalała nawet na jego eksperymentalne potwierdzenie – efekt Casimira został tak naprawdę potwierdzony w eksperymencie zaledwie 12 lat temu w USA. Jednak zauważmy jedno – nanotechnologia, jak wspomniałem wcześniej, między innymi ma być technologią, która pozwoli nam na tworzenie nanometrowych maszyn, w których siłą rzeczy, jak to w maszynach, muszą istnieć również części ruchome. I tutaj pojawia się bardzo kłopotliwy związek pomiędzy efektem Casimira i nanotechnologią – maleńkie maszyny nie mogą działać, bo ze względu na siłę Casimira ich elementy zamiast pozostawać w ruchu, dosłownie “sklejają się” ze sobą. To jeden z największych problemów tej dziedziny techniki. Podobnie jak w przypadku miniaturyzacji komputerowej, istnieje pewna granica, której dotąd nie można pokonać – poniżej pewnej wielkości elementów takich nanomaszyn siła Casimira staje się decydująca i “psuje” konstrukcje naukowców.

No dobrze – może ktoś powiedzieć – mamy jednak dwie siły: przyciągającą i odpychającą, nie dałoby się tego jakoś wykorzystać? Otóż tak, i jest to spora szansa na przełom w nanotechnologii. Zupełnie niedawno bowiem po raz pierwszy w eksperymencie potwierdzono istnienie efektu Casimira-Lifszyca.

Naukowcy z Harvard University w Cambridge we współpracy z amerykańską instytucją National Institutes of Health (NIH) dokonali właśnie takiego wyczynu. Lifszyc przewidział, że siła odpychająca pojawić powinna się wtedy, gdy pomiędzy dwoma materiałami (o stałych dielektrycznych, nazwijmy je tak, A i B) pojawi się materiał trzeci o stałej dielektrycznej C i gdy, przykładowo, będzie istnieć taka zależność: A > C > B. Naukowcy dobrali więc materiały następująco: pomiędzy płytką kwarcową a plastikową kulką, pokrytą złotem, umieszczono warstwę pewnego płynu, bromobenzenu. Kuleczkę, wielkości zaledwie 40 mikrometrów, przymocowano do ramienia zmodyfikowanego mikroskopu sił atomowych, zbliżając ją ostrożnie do powierzchni płytki, mierząc wychylenie ramienia promieniem laserowym. Naukowcy wykluczyli wpływ sił elektrycznych czy też fluktuacji gęstości w bromobenzenie, poprzez powtarzanie pomiarów określili też dokładnie siłę hydrodynamiczną, z jaką bromobenzen oddziaływał na kuleczkę, by móc bez przeszkód obliczyć siłę efektu Casimira-Lifszyca.

I co się okazało? Rzeczywiście, kuleczka była wyraźnie odpychana przez płytkę, gdy zbliżono ją na odległość conajmniej 20 nm. W celach kontrolnych wykonywano również to samo doświadczenie stosując płytkę krzemową pokrytą złotem (a więc takim samym materiałem, jaki znalazł się na powierzchni kuleczki) – wówczas, zgodnie z przewidywaniami, przy odległości ok. 30 nm zaczynały się pojawiać siły przyciągające kuleczkę do płytki. Wyniki uzyskane przez naukowców były w pełni zgodne z przewidywaniami Lifszyca, gdyż siła odpychająca była, porównawszy ją z siłą efektu Casimira, znacznie słabsza.

Konsekwencje tego doświadczenia są trudne do przecenienia – dzięki umiejętnemu dobraniu materiałów można będzie tworzyć “nanomaszyny”, w przypadku których niektóre elementy mogłyby “lewitować” nad innymi, unikając z nimi całkowicie bezpośredniego kontaktu, tym samym unikając nieszczęsnego “sklejania”. Poza lewitacją można sobie wyobrazić również elementy, pomiędzy którymi tarcie sprowadzone zostaje do ekstremalnie niskiego poziomu. Czyżby stała przed nami otworem “epoka nanomaszyn”, buszujących niezauważalnie w naszych organizmach?

Praca naukowców:

J. N. Munday, Federico Capasso & V. Adrian Parsegian, Measured long-range repulsive Casimir–Lifshitz forces. Nature 457, 170 (2009)

Grafika: Efekt Casimira pomiędzy dwiema płytkami

Źródło grafiki

Credit: Emok / Wikipedia.org

Źródła tekstu:

Link 1

Link 2

Link 3